基于Cortex-M3的電動(dòng)醫(yī)療床驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)研究

趙啟純

（深圳市通恒科技有限公司，廣東 深圳 518109）

基于Cortex-M3的電動(dòng)醫(yī)療床驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)研究

趙啟純

（深圳市通恒科技有限公司，廣東 深圳 518109）

由于目前我國的醫(yī)療硬件設(shè)備以及醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)方面的落后，有許多地方都需要改進(jìn)，其中最重要的一個(gè)部分就是醫(yī)療病床。目前許多醫(yī)院的醫(yī)療病床的系統(tǒng)落后，所支持的功能也少。所以，文章提出一種新的電動(dòng)醫(yī)療床的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)。

電動(dòng)醫(yī)療床；線性驅(qū)動(dòng)器；同步運(yùn)動(dòng)控制；圖形化編程

現(xiàn)如今，電動(dòng)醫(yī)療床的適用范圍很廣泛，本文主要闡述一種能夠多種驅(qū)動(dòng)、多種功能的電動(dòng)醫(yī)療驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要以Cortex M3 SOC 芯片作為核心，能夠在開發(fā)的同時(shí)，與線性驅(qū)動(dòng)器共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)醫(yī)療與控制系統(tǒng)的掌握與運(yùn)行。這樣能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。所以本文將主要對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制器的結(jié)構(gòu)、操作器的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行描述。

1 驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分為3個(gè)部分：線性驅(qū)動(dòng)器、控制器、操作器。線性驅(qū)動(dòng)器是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來源，它能使整個(gè)電動(dòng)醫(yī)療床完成各種動(dòng)作，比如床板的移動(dòng)、床體的升降。

1.1 控制器的設(shè)計(jì)

控制器則是一個(gè)中央樞紐，負(fù)責(zé)接收來自操作器發(fā)出的信號(hào)，并且發(fā)送給線性驅(qū)動(dòng)器使其完成指定命令?？刂破鲃t是整個(gè)系統(tǒng)的指揮官，整個(gè)系統(tǒng)由它來進(jìn)行實(shí)際操控，通過對(duì)線性驅(qū)動(dòng)器和發(fā)出指令，使其進(jìn)行工作，以此來達(dá)到符合要求的醫(yī)療功能。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 線性驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

2.1 立柱式推桿的設(shè)計(jì)

立柱式推桿對(duì)整個(gè)電動(dòng)醫(yī)療床起到一個(gè)支撐的作用，并且作為主體，它能夠承擔(dān)很大的壓力，并且除了抗壓能力強(qiáng)之外，為了有足夠的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)者，增大了推桿與電動(dòng)醫(yī)療床的接觸面積，使其能夠大幅度增加承受側(cè)向力的能力，還有采用了內(nèi)管與滑套相結(jié)合的方式減少了醫(yī)療床的抖動(dòng)和移動(dòng)位差。這樣一來讓電動(dòng)醫(yī)療床進(jìn)行工作時(shí)能夠保持整個(gè)過程足夠平穩(wěn)，對(duì)患者來講保證足夠的舒適性。這樣能夠保證整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)作過程當(dāng)中的穩(wěn)定，提高了其安全性、可靠性。

2.2 手持式推桿的設(shè)計(jì)

手推式推桿對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來講是一個(gè)應(yīng)急措施，大多應(yīng)用于ICU病床上。在面對(duì)多種緊急情況時(shí)能夠通過手推式推桿進(jìn)行快速有效的處理。比如，ICU的患者在接受治療時(shí)發(fā)生休克，需要及時(shí)將床板放平才能夠?qū)嵤尵龋R時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作已經(jīng)來不及，所以根據(jù)推桿的牙型設(shè)計(jì)，扳動(dòng)推桿就可以快速地將床板放平，以便于醫(yī)生與護(hù)士對(duì)患者進(jìn)行搶救。患者平時(shí)在床上放置物品會(huì)對(duì)病床造成一定的損壞，對(duì)推桿也會(huì)造成不小的影響。手推式推桿的新型設(shè)計(jì)讓其能夠在接受外力的同時(shí)，擺脫推桿內(nèi)管與螺母之間的受力，當(dāng)絲桿不再受力時(shí)，則推桿則取消對(duì)內(nèi)管和螺母的控制，這樣能夠?qū)φ麄€(gè)床體和立柱式推桿進(jìn)行保護(hù)。在不斷地優(yōu)化和設(shè)計(jì)之下，手動(dòng)式推桿不斷有新的功能應(yīng)用于臨床，這樣既能保證為患者提供好的治療環(huán)境，又可以提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

3 控制器的設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

控制器的硬件主要由5個(gè)部分組成：控制模塊、傳感器信號(hào)處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和通信模塊。硬件主要是以SOC芯片為基礎(chǔ)、能夠通用于各個(gè)模塊，其硬件的設(shè)計(jì)能夠使電動(dòng)醫(yī)療床更好進(jìn)行醫(yī)療工作，對(duì)于每個(gè)模塊的功能介紹如下：

（1）控制模塊。控制模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的最核心、最具有價(jià)值的部分，它通過編程來進(jìn)行操控整個(gè)系統(tǒng)，并且對(duì)操作器發(fā)布命令?？刂颇K的主要功能是對(duì)系統(tǒng)電源動(dòng)力的控制、對(duì)傳感器信號(hào)的接收和處理。控制模塊所使用的核心具有處理效率高、耗能低、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，而且控制模塊的智能也能提高醫(yī)療床的工作效率和醫(yī)療效果。

（2）傳感器信號(hào)處理模塊。傳感器信號(hào)處理模塊主要由3個(gè)部分組成：溫度傳感模塊、電流傳感模塊和電機(jī)轉(zhuǎn)速位置傳感模塊。溫度傳感模塊利用熱敏電阻，通過電阻數(shù)據(jù)的一系列變化來檢測(cè)出溫度的高低；電流傳感模塊同樣采用電阻，對(duì)電壓數(shù)據(jù)的一系列變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流變化的檢測(cè)；電機(jī)轉(zhuǎn)速位置傳感模塊主要通過一種精準(zhǔn)的線性傳感器，來收集自電機(jī)所發(fā)出的信號(hào)，并且通過對(duì)信號(hào)的處理作出調(diào)整和改變。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要是用來對(duì)電機(jī)進(jìn)行管理。能夠控制整個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速的方向，使電機(jī)始終保持在一個(gè)正常的工作狀態(tài)，這樣能夠保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，并且在遇到電機(jī)故障時(shí)能夠通過改變轉(zhuǎn)速和方向來解決故障。此模塊主要維持醫(yī)療床床板和扶手的霍爾傳感器的工作，還有維持著整個(gè)電動(dòng)醫(yī)療床的供能。

（4）電源模塊。電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來源，通過采用三級(jí)穩(wěn)壓技術(shù)，使電源擁有穩(wěn)定的電壓和電流來保持系統(tǒng)工作的穩(wěn)定，該模塊對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向具有決定作用。電源還要通過調(diào)壓來決定進(jìn)入系統(tǒng)核心的輸入電壓，以及電路的操控。

（5）通信模塊。通信模塊主要是整個(gè)系統(tǒng)的中央樞紐的處理部位，它來保持控制器和操作器之間的通信、控制器和線性驅(qū)動(dòng)器之間的通信、控制器和電機(jī)之間的通信。

3.2 控制器軟件的設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件的功能不同，主要分為兩個(gè)部分。（1）整個(gè)系統(tǒng)是具有邏輯性的控制程序。這個(gè)部分主要是能夠更好地滿足患者的要求和開發(fā)出電動(dòng)醫(yī)療床更多的醫(yī)療工作，依據(jù)其邏輯思維的處理程序能夠?qū)Ω鞣N不同的醫(yī)療設(shè)備制定相對(duì)應(yīng)的控制程序，并且通過采用系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)對(duì)程序語言進(jìn)行編程，然后編譯出能夠?qū)ο鄳?yīng)的醫(yī)療設(shè)備作出對(duì)應(yīng)的控制程序，并且能夠開發(fā)出更多的醫(yī)療功能。這樣來實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)掌控。（2）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)置一個(gè)驅(qū)動(dòng)。依據(jù)系統(tǒng)的核心，通過程序編譯和語言開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作、系統(tǒng)硬件的驅(qū)動(dòng)、對(duì)電機(jī)狀態(tài)的調(diào)整等工作，并且通過與硬件的共同處理，能夠保持整個(gè)電動(dòng)醫(yī)療床的穩(wěn)定運(yùn)行，通過對(duì)控制器軟件的開發(fā)與處理，以及圖形化編程，能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操控，以及系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)控制。

（1）控制邏輯程序?？刂撇僮鞒绦蚰軌?qū)Σ煌尼t(yī)療設(shè)備，通過圖形化編程后能夠設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制程序，并且能夠通過編譯程序?qū)φ麄€(gè)CPU進(jìn)行一個(gè)具體的處理。通過對(duì)C代碼的翻譯，進(jìn)行匯編，在通過圖形化編程，編譯成能夠適應(yīng)對(duì)應(yīng)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的機(jī)器語言，并且通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的掌控，將新編輯的控制系統(tǒng)運(yùn)用其中，整個(gè)能夠構(gòu)造出一個(gè)完整的系統(tǒng)，保障整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（2）引擎驅(qū)動(dòng)程序。此模塊主要是對(duì)系統(tǒng)整體的一個(gè)驅(qū)動(dòng)，它有多個(gè)模塊，主要的部分是霍爾反饋信號(hào)處理模塊和電動(dòng)推桿的閉環(huán)控制模塊?；魻柗答佇盘?hào)處理模塊，主要根據(jù)信號(hào)的反饋和處理讓整個(gè)電機(jī)處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，并且此處理模式的精準(zhǔn)度高，符合醫(yī)療功能的要求。并且在操作方面，其零差誤的數(shù)據(jù)計(jì)算和信號(hào)處理能夠支持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，電動(dòng)推桿的閉環(huán)控制模塊主要是以一種二維模糊控制器為主，通過模糊推理機(jī)接收到d/dt和電源的兩種信號(hào)，以及發(fā)出ΔKp，ΔKi，ΔKd3種信號(hào)，通過模糊PID的數(shù)據(jù)處理，來發(fā)給電機(jī)相應(yīng)的操作指令。電動(dòng)推桿的閉環(huán)控制的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動(dòng)推桿的閉環(huán)控制的控制結(jié)構(gòu)示意

3.3 對(duì)MCU的具體描述

微控制單元（MicroControllerUnit，MCU）是一種智能的電動(dòng)醫(yī)療床驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用于當(dāng)前的醫(yī)療床。它主要有4個(gè)電機(jī)，通過引擎驅(qū)動(dòng)程序?qū)﹄姍C(jī)的電路進(jìn)行調(diào)控，然后作為輸入端共同接入MCU處理器的輸出端，這樣能夠簡(jiǎn)單明確地處理器的電路線路，并且方便進(jìn)行開發(fā)，連接更多的線路。而且板塊清晰，能夠?qū)蝹€(gè)模塊進(jìn)行調(diào)控，而且對(duì)醫(yī)護(hù)人員的使用更加方便與快捷。此外，對(duì)MCU系統(tǒng)的研究與開發(fā)，將其在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用作為一種新型題材，能夠大大提高國內(nèi)的電動(dòng)醫(yī)療床的智能性，這是國內(nèi)在技術(shù)層面的一次突破。

4 技術(shù)領(lǐng)域

MCU在國內(nèi)屬于對(duì)醫(yī)療床技術(shù)領(lǐng)域的一種創(chuàng)新，它的實(shí)際操控更加簡(jiǎn)單快捷，對(duì)于國內(nèi)大部分功能簡(jiǎn)單、系統(tǒng)落后的醫(yī)療床，此系統(tǒng)有著智能操控，能夠完成更加復(fù)雜的醫(yī)療工作，但是與國外的智能控制系統(tǒng)相比較，在對(duì)患者生理狀況的掌握方面還是有些不足。

5 背景技術(shù)

電動(dòng)醫(yī)療床對(duì)于醫(yī)院來講是一種重要的醫(yī)療設(shè)備，是患者用來休養(yǎng)的地方?，F(xiàn)如今，國內(nèi)的大多數(shù)電動(dòng)醫(yī)療床的控制結(jié)構(gòu)散亂，不夠集中，不能夠集中操作，使用起來比較繁瑣。比如，床板的頭部和及腿部的升降控制，以及床板的翻轉(zhuǎn)控制都有按鍵，這樣來看需要手動(dòng)操作的部位較多，電路線路增多，導(dǎo)致整個(gè)電路的成本增加，并且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平，要減少線路的數(shù)量，則需要將各個(gè)分散的控制結(jié)構(gòu)集合起來，通過一個(gè)處理器來解決，這樣方便醫(yī)護(hù)人員對(duì)醫(yī)療床智能控制系統(tǒng)的操作，并且能夠給患者更好的治療效果。所以，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一智能系統(tǒng)的操作及應(yīng)用，將對(duì)該醫(yī)療床智能控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）微處理器。MCU是整個(gè)智能控制系統(tǒng)的核心，也是處理和控制中心。

（2）電源轉(zhuǎn)換電路。電源主要來自MCU和霍爾傳感器，通過霍爾傳感器的輸出，經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)行電路的輸入，將電路輸入到MCU的一輸出端。并且與備用電源連接使其能夠在斷電的時(shí)候保持工作，另外與定位檢測(cè)電路相連接來檢測(cè)電路是否正常。

（3）備用電源。備用電源通常是指市電，或者是蓄電池蓄電，備用電源通過電電源轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行變壓后能夠?qū)ξ⑻幚砥骱投ㄎ粰z測(cè)電路進(jìn)行供電，同時(shí)也能夠?yàn)樽陨砉╇?，通常采用集合電路進(jìn)行對(duì)電壓進(jìn)行改變，并且能夠通過備用電源的輸出電壓來檢測(cè)定位檢測(cè)電路，輸入電壓和電壓檢測(cè)電路都與MCU相連接。

（4）定位檢測(cè)電路。定位檢測(cè)電路主要是對(duì)電動(dòng)醫(yī)療床上的各個(gè)霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)其是否能夠正常運(yùn)作。如果當(dāng)指定的醫(yī)療工作未能完成時(shí)，定位檢測(cè)電路將對(duì)MCU發(fā)出信號(hào)，經(jīng)過MCU的處理，連接報(bào)警電路，來提醒醫(yī)護(hù)人員電動(dòng)醫(yī)療床的醫(yī)療工作尚未完成。

（5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要有4個(gè)部位，分別分布在床的頭、軀干、腿和床板。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，來使電動(dòng)醫(yī)療床完成相應(yīng)的醫(yī)療工作，并且直接執(zhí)行來自于MCU的指令。

（6）稱重傳感器。此傳感器安裝在電動(dòng)醫(yī)療床的床板上，能夠時(shí)刻檢測(cè)患者的體重，并且能夠通過體重的不同，發(fā)信號(hào)給MCU，使其對(duì)推桿發(fā)出相應(yīng)指令，來改變推桿所承受的側(cè)向力，既能夠保護(hù)床板，也能增加電動(dòng)醫(yī)療床的舒適性。

（7）觸控屏。更加方便醫(yī)護(hù)人員對(duì)醫(yī)療工作的操作，而且能夠反映患者及電動(dòng)醫(yī)療床的情況。

（8）報(bào)警電路。通過接收到來自MCU的信號(hào)，能夠及時(shí)提醒醫(yī)護(hù)人員，對(duì)患者進(jìn)行醫(yī)療工作，或者對(duì)電動(dòng)醫(yī)療床進(jìn)行調(diào)整。

（9）數(shù)據(jù)采集電路。主要采集智能控制系統(tǒng)中的各種信息，比如電源轉(zhuǎn)換電路和備用電源中的電壓變化情況，無線收發(fā)電路的數(shù)據(jù)接收等，對(duì)整個(gè)智能控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行起到一個(gè)數(shù)據(jù)總結(jié)以及監(jiān)控作用，能夠通過采集的數(shù)據(jù)總結(jié)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

（10）呼叫電路。當(dāng)患者需要醫(yī)護(hù)人員或者突發(fā)情況時(shí)，能夠連通呼叫電路，使醫(yī)護(hù)人員能夠及時(shí)接到消息。

（11）無線收發(fā)電路。無線收發(fā)電路主要是接收和轉(zhuǎn)發(fā)電路信號(hào)給MCU，并且能夠接收到MCU發(fā)出的電路信號(hào)。

（12）按鍵。按鍵主要用于整個(gè)床板上4個(gè)電機(jī)的控制操作，按鍵可以采用薄膜鍵盤，或者與觸控屏組合，這樣能夠方便醫(yī)護(hù)人員醫(yī)療工作的進(jìn)行，對(duì)電動(dòng)醫(yī)療床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了集中處理，提高了醫(yī)療效果。

6 結(jié)語

目前我國的電動(dòng)醫(yī)療床的實(shí)際水平還較低。在面臨著國內(nèi)電動(dòng)醫(yī)療床功能簡(jiǎn)單、低智能，國外電動(dòng)醫(yī)療床占據(jù)國內(nèi)大部分市場(chǎng)的處境下，本文提出一種基于Cortex-M3的電動(dòng)醫(yī)療床驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠基本滿足當(dāng)下國內(nèi)醫(yī)療水平的需求。其多個(gè)線性驅(qū)動(dòng)器同時(shí)運(yùn)行的效率高、對(duì)于模糊PID的同步運(yùn)動(dòng)控制和控制程序的圖形化編程特點(diǎn)，使其系統(tǒng)的性能得到很大的提升。并且，MCU這種微處理器的獨(dú)特設(shè)計(jì)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的工作電路進(jìn)行集中，統(tǒng)一管理，減少電路的數(shù)量，使電動(dòng)醫(yī)療床的管理變得簡(jiǎn)單便捷。并且增加像觸控屏、體重傳感器等新的功能，方便醫(yī)護(hù)人員能夠及時(shí)了解和掌握患者的實(shí)時(shí)情況，并且進(jìn)行相應(yīng)的操作，而且也能夠提高電動(dòng)醫(yī)療床的工作效率和治療效果。但是，這項(xiàng)系統(tǒng)與國外的先進(jìn)設(shè)備相比較還是有許多地方存在不足，所以應(yīng)該提高電動(dòng)醫(yī)療床驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的開發(fā)效率，在控制系統(tǒng)之中加入更多的摩爾傳感器，開發(fā)更多可以監(jiān)測(cè)患者身體狀況的功能。

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Research on drive and control system of electric medical bed based on Cortex-M3

Zhao Qichun
（Shenzhen Tongheng Technology Co., Ltd., Shenzhen 518109, China）

Due to the falling behind of current medical hardware equipment and medical equipment system in China, there are many places need to be improved, in which the most important is the medical bed. The hospital beds in many hospitals are now systematically lagging behind, and the function it supported is less, therefore, this paper puts forward a novel drive and control system for electric medical bed.

electric medical bed; linear actuator; synchronous motion control; graphical programming

趙啟純（1965— ），男，四川兩充，碩士，高級(jí)技師，工程師；研究方向：電源與電子技術(shù)，自動(dòng)化控制，人工智能。